基于GT-Power的發動機配氣相位優化

孫曉娜

(承德石油高等?？茖W校汽車工程系，河北 承德 067000)

配氣相位是指用曲軸轉角表示的進、排氣門開啟和關閉的時刻及開啟的持續時間，對發動機的充氣效率、泵氣損失及排放控制等方面都有很大影響，合理的配氣相位是提高功率、降低油耗及有害排放物的一種有效方法。配氣相位是控制發動機換氣過程的重要環節，進、排氣門的開關時刻直接影響著進氣壓力波峰出現的時刻，因此，配氣相位與進排氣系統的合理匹配是增大發動機動力性能的關鍵因素[1］。在配氣相位的各個參數中，進氣門相位的控制，特別是進氣遲閉角對發動機充量系數的影響起到決定性作用，而排氣門相位的變化除了影響充量系數外，還影響著內部EGR率，從機內凈化的角度影響NOx排放。傳統內燃機由于凸輪軸結構固定，其配氣相位也是固定不變的，在整個運行范圍內，只有在一個很窄的工況范圍內具有最佳配氣相位，而其它工況只能折衷考慮。優化發動機配氣相位，實現可變配氣技術方案，使發動機在寬廣的工況范圍內都有一個最佳的配氣相位，從而改善發動機的低速轉矩、高速功率或改善發動機排放性能。本文針對一臺改裝的天然氣發動機，利用GT-Power軟件建立仿真模型，以發動機的充量系數為優化目標對不同轉速下配氣相位進行了計算分析。

1 仿真模型的建立

本文的研究對象為一小排量天然氣發動機。該發動機由JL465Q5汽油機改裝而成，其主要參數如表1所示。

表1 JL465Q5發動機主要參數

利用GT-Power軟件建立天然氣發動機仿真模型，為了確保模型能夠真實反映發動機的實際工作情況并有效分析發動機的性能，對不同工況下的仿真結果與臺架試驗結果進行了對比。圖1為按照試驗條件進行的外特性下天然氣發動機的輸出功率的仿真值與試驗值的對比曲線。

圖1中關系表明，仿真值與試驗值基本吻合，最大誤差控制在6%以內。圖2為n=2 000 r/min，λ=1，節氣門開度40%，點火提前角θig=39°CA BTDC條件下，仿真計算與試驗得到的缸壓曲線。峰值壓力偏差在3%以內，峰值壓力對應的曲軸轉角偏差為1.4°CA。以上分析證明該GT-Power模型與原機的一致性較好，可以用來進行發動機的性能預測分析。

2 配氣相位優化

本文利用GT-Power軟件進行了發動機轉速分別為2 000、3 000、4 000、5 000 r/min下，保持原機的凸輪型線不變，以進氣門相位和排氣門相位為獨立變量，以天然氣發動機的充量系數為相關變量的優化計算。

2.1 進氣相位對充量系數的影響

圖3為發動機轉速為2 000～5 000 r/min下，進氣相位對充量系數的影響。由圖3a)～圖3c)可知，在2 000 r/min、3 000 r/min及4 000 r/min轉速下，隨著進氣遲閉角的增大，充量系數呈現先增大、后減小的趨勢，即在發動機中、低轉速下，存在一個最佳進氣遲閉角，使充量系數最大，此時，發動機有最好的充氣性能，而且此角度隨著轉速的增加而增大。對于排氣遲閉角為14°CA ATDC，當轉速為2 000 r/min時，最佳進氣遲閉角為44°CA ABDC，當轉速增加到4 000 r/min時，最佳進氣遲閉角為58°CA ABDC。此外，隨著排氣遲閉角的增大，充量系數增大，而且最大充量系數點對應的進氣遲閉角向減小的方向移動。由圖3d)可知，在5 000 r/min轉速下，發動機的充量系數隨著進氣遲閉角的增大而增大，即在發動機的高轉速下，適當增大進氣遲閉角，有利于改善發動機的充氣性能。

2.2 排氣相位對充量系數的影響

圖4為發動機轉速為2 000～5 000 r/min下，排氣相位對充量系數的影響。

圖4中關系表明:1)在相同的進氣相位下，隨著排氣遲閉角的增大，即隨著氣門重疊角的增大，充量系數增大。主要原因在于:在較小的排氣遲閉角下，氣門重疊角較小，由此導致慣性排氣階段縮短而使滯留在氣缸的殘余廢氣增大。此外，利用新氣掃除廢氣的效果也較弱，從而充量系數較小;隨著排氣遲閉角的增大，慣性排氣階段的延長使排氣更徹底，掃氣作用加強，殘余廢氣系數減小，從而充量系數增大。2)當排氣遲閉角小于20°CA ATDC時，增長的速度較快;當排氣遲閉角大于20°CA ATDC時，充量系數增長的速度變緩。原因在于:當排氣遲閉角較大時，由于排氣門關閉時間的推遲，造成一定程度的進氣回流，這種進氣回流的效應抵消了一部分進氣掃氣作用，因此，在較大的排氣遲閉角下，充量系數增加緩慢。

2.3 配氣相位對充量系數的影響

圖5為利用DOE計算得到的2 000～5 000 r/min轉速下配氣相位對充量系數的影響云圖。由圖5中關系可知，當發動機的轉速較低(2 000 r/min)時，充量系數最大的區域出現在云圖的左上方，該區域為進氣遲閉角較小，而排氣遲閉角較大的區域。由于凸輪的型線不變，因此該區域為氣門重疊角較大的區域。隨著轉速的增加，該區域向右下方擴展，即高充量系數區域向氣門重疊角減小的方向擴展，在高轉速(5 000 r/min)下，排氣門相位對充量系數的影響大于進氣門相位對其的影響。

產生上述現象的原因為:對于增壓發動機來說，當發動機轉速較低時，增加進氣提前角和排氣遲閉角，即氣門重疊角，可以充分地利用進氣壓力高于排氣壓力的特點，增加氣缸掃氣，降低殘余廢氣系數并加強了進氣的冷卻作用，有利于提高充量系數。當發動機的轉速增加時，進氣氣流的流速和慣性增加，此時，增大進氣遲閉角，有利于充分利用進氣過程中行程的氣流慣性，實現向氣缸的過后充氣;對于排氣相位，由于在排氣過程后期排氣過程為慣性排氣階段，排氣管內的壓力已低于進氣壓力，若此時采用較大的排氣遲閉角，會造成部分新鮮充量在氣門重疊開啟期間經過排氣門直接排入排氣管，造成充量系數的下降及燃料消耗的增加。因此，高轉速下減小排氣遲閉角，可以減小慣性排氣階段，有利于提高充量系數[2］。

3 優化結果分析

通過上述分析，為了提高發動機的充氣性能，本文確定了不同轉速下優化后的配氣相位，如表2所示。

表2 原機配氣相位及優化后配氣相位

圖6為2 000～5 000 r/min轉速下，配氣相位優化前后發動機的充量系數的對比曲線。圖6中關系表明:進、排氣相位優化后，各轉速下發動機的充量系數有明顯提高，在5 000 r/min轉速下，充量系數提高了10.3%。由于配氣相位優化后，發動機的充氣性能有明顯改善，導致發動機的轉矩也有明顯提高，如圖7所示。主要原因在于:原機的配氣相位固定不變，在整個運行范圍內，只有在一個很窄的工況范圍內具有最佳配氣相位，優化后的配氣相位采用了可變氣門正時方案，可以在發動機各轉速下具有最佳配氣相位，因此提高了發動機的動力性能，而有效燃氣消耗率BSFC在絕大多數轉速下無明顯增加。

4 結論

1)在發動機中、低轉速下，存在一個最佳進氣遲閉角，使充量系數最大;在發動機的高轉速下，適當增大進氣遲閉角，有利于改善發動機的充氣性能。

2)低轉速下，采用較大的氣門重疊角有利于增加天然氣發動機的充量系數;隨著轉速的增加，氣門重疊角對充量系數的影響減弱。

3)采用優化后的可變配氣相位，可以有效提高天然氣發動機的轉矩。

[1]褚超美，陳家琪，張振東，等.進排氣管結構與配氣系統匹配對汽油機性能的影響研究[J］.內燃機工程，2003，24(5):55－58.

[2]劉國軍，段景輝，楊金鵬，等.雙VVT開度對GDI增壓發動機性能的影響[J］.小型內燃機與摩托車，2013，42(2):18－21.